南京大学余林蔚教授课题组柔性径向结叠层太阳能电池新进展

youyoucao 3年前 (2021-05-13) 2699浏览

高功率重量比（power-to-weight ratio）是推广高性能、柔性、便携式太阳能电池应用的关键性能指标，而三维硅基径向结电池结构（3D radial junction）有助于大幅提升薄膜电池的机械弯折稳定性，降低重量和提高电池稳定性。为了进一步拓宽太阳光谱利用范围和提高效率，采用更为先进的叠层太阳能电池（tandem solar cell）结构必不可少，但将之应用于三维径向结构架上还鲜有探索。南京大学电子学院余林蔚教授课题组近期探索将三维构架的径向结非晶硅薄膜光伏器件与a-Si/a-SiGe薄膜叠层电池结构相结合，首次成功制备了硅基径向结叠层薄膜太阳能电池，大幅提升了电池开压和光电转换效率，并刷新了硅基薄膜电池功率重量比的世界记录。

此工作基于课题组硅基径向结电池系列研究工作（见附录），其中纳米线结构通过低温<350oC “气-液-固”(VLS)技术直接生长在铝箔或玻璃衬底之上。3D丛林构架具有优异的陷光作用，从而可以在确保充分光吸收的情况下使用超薄的吸收层，以降低对高品质、高价格材料的需求。由于硅纳米线在软铝箔表面所形成稳固锚（anchor）接触，对表面淀积的薄膜起到了关键的稳定作用，避免了薄膜在受力时发生剥离和破裂，可以在力学特性不稳定的“软”铝箔基底上构建高品质、稳定光电转换的光伏器件。结合独特的3D径向结构架与先进的叠层结构设计，本工作首次成功制备了径向结叠层非晶硅薄膜太阳能电池，以超薄的（~45 nm）的非晶硅锗（a-SiGe:H）为内电池（inner cell）吸收层，非晶硅（~55 nm）为外电池（outer cell）吸收层。在AZO玻璃衬底上制备所得的径向结叠层电池具有8.1%的光电转换效率（η），开压（VOC）为1.2 V, 短路电流（JSC）为11.0 mA/cm2, 填充因子（FF）为61.5%。同时，本工作首次直接在超薄铝箔衬底（超市购买）上，成功制备柔性非晶硅径向结叠层薄膜电池，可弯曲至曲率半径仅10 mm，以及优异的功率质量比特性PTW=1628 W/kg。

图1：非晶硅径向结叠层薄膜太阳能电池生长制备基本流程

图2：柔性非晶硅径向结叠层薄膜太阳能电池弯曲测试

此工作近期发表于《纳米能源》，Nano Energy86, 106121 (2021) DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106121。南京大学电子科学与工程学院博士生张少波同学为论文的第一作者，王军转副教授、余林蔚教授为论文共同通讯作者，相关工作得到了电子科学与工程学院的徐骏教授、施毅教授、陈坤基教授和巴黎综合理工LPICM实验室Pere Roca i Cabarrocas教授的大力支持，以及国家自然科学基金的项目支持，在此一并表示衷心感谢！

课题组相关前期工作:

  1. Firmly standing three-dimensional radial junctions on soft aluminum foils enable extremely low cost flexible thin film solar cells with very high power-to-weight performance
    Xiaolin Sun, Ting Zhang,Junzhuan Wang*, Fan Yang, Ling Xu, Jun Xu, Yi Shi, Kunji Chen, Pere Roca i Cabarrocas, Linwei Yu*
    NanoEnergy53, 83-90 (2018)
  2. Ultra-fast solar-blind ultraviolet detection by inorganic perovskite CsPbX3 quantum dots radial junction architecture
    Jiawen Lu, Xuexi Sheng, Guoqing Tong, Zhongwei Yu, Xiaolin Sun, Linwei Yu,*Xiangxin Xu,*Junzhuan Wang, Jun Xu, Yi Shi, and Kunji Chen
    Advanced Materials29,1700400 (2017)
  3. Nanoscale photovoltaic responses in 3D radial junction solar cells revealed by high spatial resolution laser excitation photoelectric microscopy
    Huili Zhang#, Yakui Lei#, Qiang Zhu, Tong Qing, Ting Zhang, Wanghao Tian, Matthias Lange, Meiping Jiang, Chao Han, Jun Li, Dieter Koelle, Reinhold Kleiner, Wei-Wei Xu, Yonglei Wang, Linwei Yu*, Huabing Wang*, Peiheng Wu
    ACS Nano13, 10359-10365 (2019)
  4. Biomimetic radial tandem junction photodetector with natural RGB color discrimination capability
    Fan Yang, Junzhuan Wang,*Jiawen Lu, Zhongwei Yu, Linwei Yu,*Jun Xu, Yi Shi,*Kunji Chen and Pere Roca i Cabarrocas
    Advanced Optical Materials 5, 1700390 (2017)
  5. Photoelectric Cardiac Pacing by Flexible and Degradable Amorphous Si Radial Junction Stimulators
    Zongguang Liu, Bin Wen, Luyao Cao, Shaobo Zhang, Yakui Lei, Guangzhi Zhao, Long Chen, Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Xiangbin Pan*and Linwei Yu*
    Advanced Healthcare Materials8, 1901342 (2020)

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